随着LED技术的成熟和医疗照明需求的日益复杂化,有关LED在手术无影灯中应用的研究越来越多,并开始出现商业化的LED无影灯产品。跟传统的卤素无影灯系统相比较,虽然LED手术无影灯具有明显的优势,但是其设计理论还没有形成成熟的体系。本文从无影灯的发展历程出发,对比了目前LED无影灯产品的技术参数,提出了LED无影灯设计的两个关键问题,LED光谱的视觉感知和光学设计。结合LED在医疗中的应用,本文提出了采用光谱可调的LED无影灯增强医生视觉感知的可能；针对无影灯日益复杂的照明要求,提出了用多个自由曲面去解决LED手术无影灯在实际应用中所遇到的光学难题。在光学设计方面,本文分析了现有光学多自由曲面理论的原理和局限性,提出了序列多自由曲面设计方法。该方法可以将较为复杂的照明需求子目标化,根据子目标化之后的照明要求和前置曲面的光学特性,选取合理的映射关系,分步去实现最终的照明要求,降低了自由曲面的设计难度。针对扩展光源的引入,本文还提出了序列自由曲面的优化方法,并针对扩展光源实现了一款用于圆形均匀照明的全内反射透镜,验证了该优化理论的实用性。在视觉感知方面,本文着重研究了LED照明光谱与生物样品组织对比度之间的关系。为此,我们建立了一套大型LED测试平台,该平台可以为颜色生理、颜色心理相关实验提供光谱多样的照明支持。为了提高LED测试平台输出光斑的颜色均匀性,本文通过光斑拼接和对自由曲面透镜的优化实现了针对阵列LED光源的大面积混色。为了量化生物样品的组织对比度,本文提出了一种对比度评价模型,该模型不仅可以衡量整个组织样品的对比度信息,同时也可以反映特定区域的细节信息。基于LED测试平台和组织对比度评价模型,通过一系列的实验,得到了用于组织对比度增强的局部最优LED光谱,为光谱可调的LED无影灯在光源选择、光谱优化方面提供了有力的数据支持。基于序列光学多自由曲面设计方法以及对LED照明视觉效应的进一步认识,本文提出了两套自由曲面LED无影灯。为了解决手术室中普遍存在的气流扰动问题,本文提出了天吊式LED手术无影灯,并采用基于序列多自由曲面设计方法的光学系统,实现了其苛刻的照明设计要求。为了改进吊塔式无影灯的光学性能,本文提出了卫星式LED多光谱无影灯的概念,结合LED的排布和自由曲面准直透镜的设计,保证了该无影灯系统良好的照明输出,并通过模拟和实验研究了该系统的性能。最后,本文对光谱可调LED自由曲面无影灯的研究进行了总结,并提出在今后研究中应该注意的问题。